قانون حفظ الطاقة – القانون الذي أجمع عليه علماء الفيزياء

إن المقدار الإجمالي للكتلة والطاقة في الكون ثابت. لذا يعد قانون حفظ الطاقة من أهم القوانين الفيزيائية التي تم وضعها من قبل العلماء، ويعتمد هذا القانون على مبدأ إمكانية تحويل الطاقة من شكل إلى آخر، مع الأخذ بعين الاعتبار أنه لا يمكن خلقها أو تبديدها، بمعنى آخر في نظام معزول (هو النظام الذي لا يتفاعل مع محيطه) تبقى الطاقة الكلية للنظام، ضمن إطار مرجعي معين، ثابتة لا تتغير.

مثال على ذلك تحول الطاقة الكيميائية المخزنة في إصبع من الديناميت، عند انفجاره، إلى طاقة حركية وحرارة وضوء، عند جمع الطاقة الناتجة عن هذا الانفجار مع بعضها البعض فإن قيمتها ستكون مساوية لقيمة الطاقة الكيميائية الأولية المخزنة.

نص قانون حفظ الطاقة

ينص قانون حفظ الطاقة على أنه “في أي نظام معزول، الطاقة لا تستحدث من العدم ولا تنعدم ولكن يمكن تحويلها من شكل إلى آخر”. يتم تحديد كمية الطاقة المحفوظة في أي نظام مغلق بالمعادلة التالية:

UT = Ui + W + Q

حيث:

UT: الطاقة الكلية للنظام.

Ui: الطاقة الأولية للنظام.

W: هو العمل المنجز على النظام.

Q: هي الحرارة المضافة إلى النظام أو التي تم إزالتها من النظام.

يتم تحديد التغيير في الطاقة الداخلية للنظام باستخدام المعادلة:

ΔU = W + Q

W: هو العمل المنجز على النظام.

Q: هي الحرارة المضافة إلى النظام أو التي تم إزالتها من النظام.

قانون حفظ الطاقة في الميكانيكا الكلاسيكية

قانون حفظ الطاقة في الميكانيكا الكلاسيكية

وفق نيوتن، فإنه عند تحرك جسم في مجال ما، كمجال الجاذبية الأرضية، تكون طاقته الكلية مساوية لمجموع طاقته الحركية KE وطاقته الكامنة PE، وتبقى ثابتة لا تتغير. ينص قانون حفظ الطاقة الميكانيكية على أنه “في نظام مغلق ستبقى الطاقة الميكانيكية ثابتة”.

حيث أن الطاقتان الكامنة والحركية نوعان من الطاقة يمكن تحويلهما إلى بعضهما البعض. مع إهمال مقاومة الهواء وقوى الاحتكاك. يمكن التعبير عن قانون حفظ الطاقة الميكانيكية كما يلي:

الطاقة الميكانيكية = طاقة الوضع + الطاقة الحركية = مقدار ثابت

E = PE + KE                                                

E: الطاقة الميكانيكية الكلية، واحدة قياسها الجول.

PE: الطاقة الكامنة أو طاقة الوضع، وتقدر بـ (الجول).

KE: الطاقة الحركية، وتقدر بـ (الجول).

كمثال على قانون حفظ الطاقة في ميكانيكا نيوتن حركة الرقاص أو البندول، حيث تبيّن نتيجة التجارب أن، مجموع طاقتي الحركة والوضع للبندول لا تتغير مع الزمن عندما نقوم بتحركيه في اتجاه ما بعيدًا عن نقطة السكون (النقطة الوسطية)، مع إهمال قوة الاحتكاك مع الهواء.

قانون حفظ الطاقة وفق النظرية النسبية

اكتشف أينشتاين في أوائل القرن العشرين أن الكتلة (المادة) هي شكل من أشكال الطاقة (وهذا ما يسمى معادلة الكتلة والطاقة). تنص المعادلة على أنه عند توفر الظروف المناسبة، يمكن للطاقة أن تصبح كتلة، والعكس صحيح. حيث ترتبط كمية الكتلة بشكل مباشر بكمية الطاقة. كما بينت صيغته الأكثر شهرة في الفيزياء (النظرية النسبية الخاصة) بأن الطاقة الكتلية محفوظة كما يلي:

E = mc^2

E: هو مقدار الطاقة المحفوظة في جسم أو في نظام.

m: كتلة الجسم أو النظام.

c: سرعة الضوء في الفراغ وتعادل تقريبًا 299,792,458 كم/ثا. أما مربع سرعة الضوء فهي عامل التحويل الذي يحدد مقدار الطاقة الموجود داخل المادة أو الكتلة.

قانون حفظ الطاقة في الديناميكا الحرارية

يعود الفضل في اكتشاف قانون حفظ الطاقة في الديناميكا الحرارية إلى العالمين جيمس جول ويوليوس ماير. حيث توصل العالمان إلى استنتاج مفاده أن كل نظام ديناميكي حراري يحتوي على كمية محددة من الطاقة مقسمة إلى جزئين، داخلي وخارجي.

وقد استطاع جول تحديد العلاقة العددية بين الطاقة الحرارية والطاقة الميكانيكية، أي تحديد ما يعادل الحرارة ميكانيكيًا، وذلك عند دراسة التغيرات التي تطرأ على النظام الكلي، حيث يتم التركيز على مقدار الطاقة الداخلية مع إهمال مقدار الطاقة الخارجية، حيث نعتبرها صفر.

وينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن: “الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ولكن تتحول من شكل إلى آخر” ويعبر عنه بالمعادلة:

dU = dQ + dW                                          

 dU: التغير في الطاقة الداخلية للنظام.

 dQ: التغير في درجة الحرارة التي تدخل أو تخرج من النظام المغلق.

dW: العمل المبذول.

توضح المعادلة أن التغير في الطاقة الداخلية لنظام مغلق يساوي مجموع التغير في الحرارة والتغير في العمل الذي يؤديه النظام.

قانون حفظ الطاقة في الكيمياء (قانون هس)

ينص قانون هس على أن “امتصاص الحرارة أو تطورها (أي التغير في المحتوى الحراري)، في أي تفاعل كيميائي، هو كمية ثابتة ومستقلة عن مسار التفاعل أو عدد الخطوات المتخذة للحصول على التفاعل” ويعد هذا القانون مختلف عن القانون الأول للديناميكا الحرارية والحفاظ على الطاقة، حيث يعبر عنه بالعلاقة:

ΔH = ΔH1 + ΔH2 + ΔH3 + …. = ΣΔHn  

ΔH: هي الحرارة الممتصة.

ΣΔHn: مجموع الحرارة الممتصة في خطوات التفاعل n الفردية.

ووفقًا لقانون حفظ الكتلة أيضًا، تحتوي المعادلة الكيميائية المتوازنة على نفس كتلة المواد المتفاعلة و المواد الناتجة عن التفاعل.

أمثلة عن تطبيقات قانون حفظ الطاقة في حياتنا العملية

أمثلة عن حفظ الطاقة في حياتنا العملية

تعتمد معظم الاختراعات في الفيزياء على حقيقة أن الطاقة محفوظة عندما يتم نقلها من شكل إلى آخر، كما يوجد في حياتنا اليومية الكثير من الأمثلة عن حفظ الطاقة مثل:

  • البطاريات: حيث يتم تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في البطاريات إلى طاقة كهربائية، والتي يتم تحويلها لاحقًا إلى طاقة ضوئية وحرارة.
  • محطات الطاقة الكهرومائية: يتم تحويل الطاقة الكامنة للماء إلى طاقة حركية عندما تتساقط شلالات الماء من ارتفاع عال على التوربينات، حيث تقوم بتدويرها ومن ثم توليد الطاقة الكهربائية.
  • مكبر الصوت، يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة صوتية.
  • الميكروفون، يتم تحويل الطاقة الصوتية إلى طاقة كهربائية.
  • المولدات الكهربائية، يتم تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
  • الوقود، يتم تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود إلى طاقة حرارية وطاقة ضوئية.
  • المصباح الكهربائي، الذي يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وضوء.
  • تصادم الأجسام: عندما يصطدم جسم متحرك مع جسم ساكن تنتقل الطاقة الحركية إلى الجسم الساكن مسببًا تحركه، أي تحولت الطاقة الكامن للجسم الساكن إلى طاقة حركية.
  • الخشب: يمتلك الخشب طاقة كامنة كيميائية تتحول إلى حرارة وضوء عند احتراقه.

كما يتم تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في الطعام إلى طاقة حرارية عندما يتم تكسير الروابط الكيميائية بين جزيئاتها أثناء عملية الهضم، بالإضافة إلى عمليات أخرى تحدث بشكل طبيعي في الحياة كعملية التركيب الضوئي التي يحول فيها النبات طاقة الضوء إلى طاقة كيميائية.

المصادر

شارك المعلومة؛ فالدال على الخير كفاعله